短期封育对伊犁绢蒿荒漠草地土壤氮及其粒径组成的影响

2022-02-15哈里阿力腾别克崔雨萱刘慧霞董乙强崔荷婷钱茹雪孙宗玖

草地学报 2022年1期

哈里·阿力腾别克，崔雨萱，刘慧霞，董乙强,3,4，孙强，崔荷婷，钱茹雪，孙宗玖,3,4*

(1. 新疆农业大学草业学院，新疆乌鲁木齐 830052； 2. 新疆维吾尔自治区草原总站，新疆乌鲁木齐 830049；3. 新疆草地资源与生态自治区重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052； 4.西部干旱荒漠区草地资源与生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)荒漠草地属于典型的中亚气候型荒漠植被，是新疆北疆春秋牧场的主要组成部分，具有较好的饲用价值[1]。新疆拥有伊犁绢蒿荒漠草地114.34×104hm2，占全疆荒漠草地总面积的4.25%[2]。由于长期超载过牧，导致伊犁绢蒿荒漠草地退化严重，一些区域甚至完全被破坏[3]，严重威胁了荒漠-绿洲复合生态系统安全，亟待恢复治理。围栏封育是世界上广泛应用的退化草地恢复治理的重要措施之一[4]，它主要通过杜绝家畜的采食及践踏，使草地植被及土壤理化性质得以逐步改善[4-5]，最终实现草地生态系统的良性循环。

土壤粒径是反映土壤母质来源、成土过程中的重要指标[6]，土壤氮素是限制荒漠植物生长最主要的营养元素[7]。因此分析土壤粒径组成及氮素含量对评价草地土壤修复及养分管理具有重要指示意义。目前，由于封育前所处区域草地类型、水热条件、草地退化程度及封育时间等方面的差异，导致有关封育对土壤粒径和全氮、碱解氮影响的研究结果存在一定争议[8-12]。一些研究表明，封育可以促进退化草地的修复，如封育提高了阿拉善荒漠草地[8]、宁夏盐池荒漠草原[9]、青藏高原高寒草甸[10]的土壤黏粉粒含量、土壤全氮、碱解氮含量。也有研究发现，封育对土壤粒径及氮含量的影响不显著，甚至呈现降低趋势，如Lu等[11]认为，短期封育后退化草地在0～30 cm土层土壤粒径及碱解氮含量影响不显著，土壤全氮在0～15 cm土层显著降低。另外，Tai等[12]也指出，温带典型草原实施短期封育后有效改善了植被生物量及土壤养分，而对温带荒漠草地土壤氮的影响不显著。与此同时，土壤粒径组成与土壤养分间存在一定的相关性。如土壤质地越细，土壤有机质、全氮含量越高[8]，且土壤沙化过程中土壤粒径组成与土壤养分存在同增同减现象，黏粒含量的减少会导致氮素的衰减更明显，从而导致土壤稳定性降低[13]。虽然已有研究表明，封育后伊犁绢蒿荒漠草地土壤全氮及其碱解氮含量因区域差异而有所不同[14-16]，但均局限于单点样地的差异比较，缺乏区域尺度下的多点分析，同时对封育后土壤粒径的分析相对较少。基于以上认识，本研究以新疆天山北坡不同区域伊犁绢蒿荒漠草地为对象，通过对土壤全氮、碱解氮及其粒径组成的测定，明确其对短期封育响应的异同，以期为退化荒漠草地的恢复治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处新疆天山北坡山前低山荒漠带(43°47′～44°01′N，86°09′～89°25′E，海拔950～1 270 m)，为典型大陆性干旱气候，夏季炎热干燥，冬季寒冷，年均温度4℃～9℃，年均降水量为150～350 mm，年潜在蒸发量为2 000 mm左右。土壤类型为灰漠土，土层较厚，均在1 m以上。研究区植被以伊犁绢蒿为建群种，伴生种有木地肤(Kochiaprostrata)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)、短柱苔草(Carexturkestanica)等。早春生长弯果胡卢巴(Trigonellaarcuata)、沙葱(Alliummongolicum)等短命及类短命植物。

1.2 试验设计

采用多地成对试验设计，在天山北坡的玛纳斯县(中段)、呼图壁县(中段)、奇台县(东段)各选择1块植被组成、群落特征及地形地貌上相似的伊犁绢蒿荒漠草地样地，每样地均设置封育(Grazing exclusion,GE)和对照样地(The control,CK)两个处理。封育处理用网围栏进行全年禁牧，玛纳斯、呼图壁、奇台样地封育面积依次为4.0×104，4.0×104，2.0×104hm2，且截止到2019年6月，依次封育4年、4年、7年；对照处理位于封育处理外围，属于当地牧民传统自由放牧的春秋牧场，放牧强度为中度放牧，牲畜多为绵羊。各样地所处位置、海拔、植被群落特征及水热等情况详见表1。

表1 试验样地基本信息Table 1 Basic information of experimental site

1.3 野外取样及土壤分析

2019年6月，在玛纳斯县、呼图壁县、奇台县每个样地的封育区和对照区各布设100 m的样线5条，样线间距为20 m，每条样线上等距离设置5个1 m×1 m样方，样方间距为20 m(图1)。每个样方分种测定高度、盖度、密度及地上生物量，收集地上凋落物生物量，然后在每条样线上等距离选取3个已测产样方进行土样的采集。在每个样方中心位置挖取土壤剖面1个，按土层深度0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm分层采集土样，并将同一样线获得的土样分层混匀形成混合样，用布袋封装带回实验室，共计获得土样150个(3个样地× 2个处理/样地× 5条样线/处理× 5个土层样/样线)。室内每份土样在剔除可见植物根系、石砾等杂物后阴干，一部分过0.25 mm和1 mm的土壤筛，用于土壤全氮和碱解氮含量的测定，另一部分过2 mm的土壤筛，用于土壤粒径组成的测定。土壤全氮及碱解氮含量分别采用凯氏定氮法和碱解扩散法进行测定[17]，土壤粒径分析采用吸管法进行，粒径分级采用美国制土壤标准，即砂粒(2.0～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)含量百分比[18]。

图1 试验点位置及取样样方布设Fig.1 Location of the study site and the sampling quadrats design

1.4 数据分析

采用SPSS 23.0软件中的独立样本T检验法对每个样地的封育区和对照区土壤全氮、碱解氮及其土壤粒径进行差异性分析，利用Pearson法对各检验指标进行相关性分析，并利用双因素(封育与样地)分析封育对土壤氮素含量及其土壤粒径的总体影响。运用Origin 9.0软件进行图形的绘制，结果以“均值±标准差”来表示。

2 结果与分析

2.1 封育对伊犁绢蒿荒漠草地土壤指标的总体影响

双因素分析表明(表2)，样地对伊犁绢蒿荒漠草地土壤粒径组成及土壤氮含量极显著影响(P<0.01)，封育仅显著影响土壤砂粒、黏粒含量(P<0.05)，而两者互作仅显著影响土壤黏粒、全氮含量(P<0.05)。

表2 封育及样地对伊犁绢蒿荒漠草地土壤各指标影响的方差分析Table 2 Variance analysis of grazing exclusion and plots on soil indexes at Seriphidium transiliense desert grassland

2.2 土壤全氮含量

短期封育后伊犁绢蒿荒漠草地0～50 cm土层全氮含量变化不显著(图2a)。从各土层看，奇台样地(图2 d)、玛纳斯样地(图2b)、呼图壁样地(图2c)土壤全氮含量变化依次为1.18～1.82 g·kg-1，1.16～1.58 g·kg-1，1.16～1.41 g·kg-1，且玛纳斯样地封育区略低于对照区3.99%～15.23%(图2b)，而奇台县样地封育区略高于对照区1.34%～38.55%(图2 d)，呼图壁样地在10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm土层土壤全氮含量增加18.72%，14.85%，18.00%(图2c)。图2也可看出，除奇台县样地外，封育后玛纳斯和呼图壁样地0～5 cm土层全氮含量均呈降低趋势。

图2 封育对伊犁绢蒿荒漠土壤全氮的影响Fig.2 The effects of grazing exclusion on soil total nitrogen in Seriphidium transiliense desert注：a为0～50 cm土层全氮含量；b，c，d分别为玛纳斯、呼图壁、奇台样地土壤全氮含量Note:a refers to the total nitrogen content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the total nitrogen content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.3 土壤碱解氮含量

由图3所示，与对照相比，封育后玛纳斯样地0～50 cm土层碱解氮含量显著降低，奇台样地显著增加，而呼图壁样地增加不显著(图3a)。从各土层看，玛纳斯样地(图3b)、呼图壁样地(图3c)、奇台样地(图3d)土壤碱解氮含量依次为30.53～63.08 mg·kg-1，21.76～54.21 mg·kg-1，18.04～53.74 mg·kg-1，且与对照相比，封育后玛纳斯样地土壤碱解氮含量5～50 cm各土层显著降低13.16%～27.97%(P<0.05)，而呼图壁样地、奇台样地分别仅在5～10 cm，0～5 cm土层显著增加13.64%，32.57%(P<0.01)，其余土层碱解氮含量均增加不显著。

图3 封育对伊犁绢蒿荒漠草地土壤碱解氮的影响Fig.3 The effects of grazing exclusion on soil alkali-hydrolyzable nitrogen in Seriphidium transiliense desert注：a为0～50 cm土层碱解氮含量；b，c，d分别为玛纳斯、呼图壁、奇台样地土壤碱解氮含量Note:a refers to the alkali-hydrolyzable nitrogen content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the alkali-hydrolyzable nitrogen content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.4 土壤砂粒

封育后伊犁绢蒿荒漠草地0～50 cm土层砂粒含量因区域差异有所不同，呼图壁、奇台样地封育区显著低于对照区(P<0.05)，而玛纳斯样地封育区高于对照区(图4a)。从各土层看，与对照相比，封育后呼图壁样地5～10 cm，10～20 cm，30～50 cm土层砂粒含量显著减少8.33%，11.80%和26.93%(P<0.05)，而20～30 cm土层则显著增加23.47%(P<0.01)(图4c)；奇台样地0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm土层砂粒含量显著降低22.31%，14.03%，22.23%(P<0.01)，且0～50 cm各土层平均减少14.63%(图4 d)，玛纳斯样地仅在5～10 cm，10～20 cm土层砂粒含量减少0.91%，4.59%，其余土层均增加不显著(图4b)。

图4 封育对伊犁绢蒿荒漠土壤砂粒的影响Fig.4 The effects of grazing exclusion on soil sand content in Seriphidium transiliense desert注：a为0～50 cm土层砂粒含量；b，c，d分别为玛纳斯、呼图壁、奇台样地土壤砂粒含量Note:a refers to the sand content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the sand content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.5 土壤粉粒

封育后玛纳斯、奇台样地伊犁绢蒿荒漠草地0～50 cm土层粉粒含量显著增加(P<0.05)，而呼图壁样地则增加不显著(图5a)。与对照相比，玛纳斯样地10～20 cm土层粉粒含量显著增加7.23%(P<0.01)，且0～50 cm土层平均增加3.37%(图5b)；呼图壁样地10～20 cm，30～50 cm土层依次显著增加4.55%，25.33%(P<0.05)，而20～30 cm土层显著减少16.49%(P<0.01)(图5c)，且0～50 cm土层平均增加2.37%；奇台样地10～20 cm土层粉粒含量显著增加5.43%(P<0.05)，且0～50 cm土层平均增加2.46%(图5d)。

图5 封育对伊犁绢蒿荒漠土壤粉粒的影响Fig. 5 The effects of grazing exclusion on soil silt content in Seriphidium transiliense desert注：a为0～50 cm土层粉粒含量；b，c，d分别为玛纳斯、呼图壁、奇台样地土壤粉粒含量Note:a refers to the silt content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the silt content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.6 土壤黏粒

封育后呼图壁、奇台样地伊犁绢蒿荒漠草地0～50 cm土层黏粒含量显著增加(P<0.01)，而玛纳斯样地降低不显著(图6a)。与对照相比，封育后玛纳斯样地0～50 cm各土层黏粒含量均增降不显著，平均减少3.21%(图6b)；呼图壁样地0～5 cm，5～10 cm土层显著增加8.74%，16.66%(P<0.01)，且0～50 cm土层平均增加8.76%(图6c)；奇台样地0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm土层黏粒含量显著增加28.80%，21.54%，16.71%(P<0.01)，且0～50 cm土层平均增加12.97%(图6d)。

图6 封育对伊犁绢蒿荒漠土壤黏粒的影响Fig.6 The effects of grazing exclusion on soil clay content in Seriphidium transiliense desert注：a为0～50 cm土层黏粒含量；b，c，d分别为玛纳斯、呼图壁、奇台样地土壤黏粒含量Note:a refers to the clay content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the clay content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.7 相关分析

由图7所示，伊犁绢蒿荒漠草地土壤全氮含量与土壤砂粒呈显著负相关(P<0.05)，与黏粒含量呈显著正相关(P<0.05)，而土壤碱解氮含量与土壤砂粒含量呈不显著负相关，与土壤黏粒含量呈显著正相关(P<0.05)。

图7 伊犁绢蒿荒漠草地土壤各指标间的相关性Fig.7 Correlation of soil indexes in the desert grassland of Seriphidium transiliense注：*表示存在显著相关(P<0.05)，红色表示正相关，蓝色表示负相关，圈越大相关系数绝对值越大。TN，全氮含量；AN，碱解氮含量；Sand，砂粒含量；Silt，粉粒含量；Clay，黏粒含量Note:* indicates significant correlation (P<0.05), Red indicates positive correlation and blue indicates negative correlation. The larger the circle,the greater the absolute value of the correlation coefficient. TN,Total nitrogen content;AN,content of alkali-hydrolyzable nitrogen;Sand,Sand content;Silt,Silt content;Clay,Clay content

3 讨论

3.1 短期封育对土壤氮素的影响

土壤氮素含量是指示土壤肥力的重要指标，也是陆地生态系统氮库的主要组成部分[19]。封育后草地土壤全氮含量呈现显著增加[20]、仅表层显著变化[21]、不显著变化[14]或显著降低[15,22]等多种结果。本研究发现，伊犁绢蒿荒漠草地土壤全氮含量介于1.16～1.82 g·kg-1，平均值为1.49 g·kg-1，且总体看短期封育后0～50 cm土层全氮含量变化不显著，与前人研究结果存在一定差异[20-22]，与杨合龙等[14]研究结果“封育1～9年后轻度退化蒿类荒漠草地土壤全氮变化不明显”相似。本研究发现，由于所处区域不同，封育后荒漠草地土壤全氮变化趋势并不一致。如玛纳斯样地土壤全氮含量封育区略低于对照区3.99%～15.23%(图2b)，这与杨静等[22]研究结果相似，可能是由于短期封育后伊犁绢蒿荒漠草地地上活体生物量得到明显增加，但其凋落物及地下生物量积累相对较少甚至降低[23]，导致植被生长对土壤氮的吸收量高于其向土壤的返回量所致[24]。呼图壁、奇台样地土壤全氮封育区高于对照区6.43%～17.93%，可能是由于地上活体生物量增加明显，且地下生物量积累相对较多[23]，导致土壤氮的输出量低于其输入量所致。土壤碱解氮含量是反映近期土壤氮素供应能力大小的一个重要指标[25]。前人研究表明，封育后碱解氮含量呈现增加、降低、不变等多种结果[9,14-16,21]。本研究表明，短期封育后伊犁绢蒿荒漠草地土壤碱解氮含量因所处区域差异而有所不同。如封育后玛纳斯样地土壤碱解氮显著降低14.62%，这与李国旗等[26]研究结果“封育后沙芦草群落0～10 cm土层碱解氮含量显著降低”相似，可能与对照区家畜采食及践踏过程中排泄了大量粪尿，而粪尿中含有大量的硝态氮有关[27]，也可能与封育后土壤全氮含量降低相关。封育后奇台样地及呼图壁样地土壤碱解氮含量呈增加趋势，可能与其土壤全氮含量增加相关。同时研究也发现，土壤碱解氮含量具有明显的表聚现象，封育后呼图壁样地碱解氮仅在5～10 cm土层显著增加13.64%，奇台样地仅在0～5 cm土层封育区显著高于对照区32.57%(P<0.01)，且都随着土层的加深呈降低趋势，这与张云舒等[28]的研究结果相同。这可能与封育后植被凋落物的返还主要集中在土壤表层，凋落物的降解提高了土壤碱解氮含量有关。

3.2 土壤粒径组成对短期封育的响应

土壤粒径组成又称土壤质地，是保持土壤质量的自然属性[29]。研究表明，退化草地封育后土壤黏粉粒含量增加、砂粒减少[8-9,30]。也有研究认为，封育30年后土壤粉粒含量显著降低，且长期封育促进土壤向粗颗粒发展，中细颗粒积累减少，不利于土壤结构改善[31]。Yang和Song认为，封育5年对宁夏退化荒漠草原土壤粒径组成影响不显著[32]。本研究表明，短期封育后伊犁绢蒿荒漠草地总体土壤砂粒含量呈现降低趋势，而黏粉粒含量增加，这与前人研究结果相似[8-9,30]。同时指出的是，因研究样地所属区域水热条件、封育时间长短等方面的不同(表1)，导致封育对伊犁绢蒿荒漠草地土壤粒径组成的影响也存在差异(图4～图6)。如封育后玛纳斯样地土壤砂粒、黏粒含量增降不显著，而土壤粉粒含量仅在10～20 cm土层显著增加7.23%，这与谢莉等[30]认为“随着封育年限增加，灰钙土细颗粒变化不显著”相似。封育后呼图壁、奇台样地土壤砂粒含量整体上显著降低，而土壤黏粉粒含量显著增加，这与前人研究结果吻合[8-9,30]。以上结果说明，封育后伊犁绢蒿荒漠土壤粒径变化与其植被恢复程度息息相关，同时也印证了Li等[10]的观点。一方面封育后退化草地植物群落的高度、盖度及生物量得到明显增加，降低了风对土壤的侵蚀作用，也易将大气中的细颗粒在降尘、降水过程中储存下来[33]，另一方面，凋落物和根系数量的输入和分解可以有效改善土壤养分，一定程度上缓解了土壤结构的改变[34]。对于玛纳斯样地而言，封育后草地地上活体生物量、凋落物量及地下生物量恢复相对较低，导致其土壤粒径组成变化不显著，而奇台及呼图壁样地植被的恢复效果相对较高，导致其黏粒成分显著增加[23]。

3.3 土壤氮与粒径组成的相关分析

土壤颗粒吸附能力与土壤养分之间有着一定的关系，其中土壤细颗粒是影响土壤养分含量多寡的关键性粒级[35]，且一般认为土壤细颗粒与土壤碳、氮形成有机-无机复合体，土壤颗粒越细就会对土壤碳、氮的吸附作用更强[36]。如牛宋芳等[37]得出，土壤全氮、碱解氮与黏粉粒含量呈极显著正相关，与细砂、中砂含量呈极显著负相关。本研究结果表明，土壤全氮、碱解氮含量随土壤黏粉粒含量增加而增加，随其砂粒含量增加而减少，与前人的研究结果相一致[35-37]。这可能是与封育后退化草地地上活体生物量及群落盖度有所增加，导致风蚀和水蚀对土壤黏粉粒含量的影响减小，进而改善了土壤质地，使细颗粒土壤能更好地从土壤液体介质中吸收和储存更多的有效养分有关[38]。同时，本研究结果也印证了何玉惠等[39]的研究结果，进一步证实了土壤粒径与土壤养分之间有一定的相关性。